砂輪動平衡畢業(yè)設(shè)計說明書

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　磨床砂輪的不平衡量是影響磨削精度的主要因素之一，隨著對磨床磨削精度的要求越來越高，解決砂輪的不平衡問題也日顯迫切。</p><p>　　本文以開發(fā)砂輪在線動平衡系統(tǒng)為目的，對不平衡信號的測量、自動平衡裝置以及自動平衡策略展開研究，主要分為以下幾個方面：</p><p>　　

2、總結(jié)砂輪在線動平衡技術(shù)的研究現(xiàn)狀的發(fā)展趨勢，闡述了本文的研究意義；研究了動平衡的在線動平衡原理和基礎(chǔ)理論；設(shè)計了信號處理流程，介紹了振動信號的采樣及數(shù)字處理，研究了不平衡量的控制算法；該系統(tǒng)以89C51單片機為核心，通過檢測砂輪旋轉(zhuǎn)時不平衡量引起的振動信號并進行數(shù)據(jù)處理，以確定不平衡量的大小，然后控制跟隨砂輪高速旋轉(zhuǎn)的平衡頭內(nèi)的雙永磁直流電機以對不平衡量進行補償,并設(shè)計相應(yīng)的軟件。</p><p>　　通過本文的

3、研究，構(gòu)架了砂輪在線動平衡系統(tǒng)的框架，具有硬件電路簡單，倍頻采樣精度高，跟蹤速度快的優(yōu)點，實現(xiàn)了系統(tǒng)的基本功能，為進一步研究砂輪動平衡技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：傳感器 單片機 動平衡 數(shù)學(xué)模型</p><p>　　Design and Research Wheel Dynamic Balance Measurement and Control System

4、</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Grinding wheel's balancing is one of the main factors of grinding accuracy, with the demand is higher and higher, solve the unbalance problem a

5、lso grinding more urgent.</p><p>　　The development of grinding wheel moved by online balance system, for purposes of measurement, the automatic balancing devices and an automatic balancing policy research, a

6、nd divided mainly into the following aspects ：Grinding wheel moved up online balance of the technical trend of development, the significance of this research ；The move the motion and the online balance theory ；Designed t

7、he signal flow, introduced the signal that the sampling and digital processing, the quantity of unbalanced t</p><p>　　By this research, online move the wheel out of the framework of a hardware circuit simple

8、, and times of the sampling frequency high precision, tracking speed and fulfilled the system of the basic function, for further study before the technology we have still a good foundation.</p><p>　　Keywords

9、： Sensor MCU Dynamic balance The ma``thematical model</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 論文選題的來源及意義1</p><p>　　1.

10、2 砂輪動平衡測控系統(tǒng)的目的2</p><p>　　1.3 傳統(tǒng)靜平衡存在的問題2</p><p>　　1.4 本系統(tǒng)在線平衡的特點3</p><p>　　1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.6 題目研究內(nèi)容4</p><p><b>　　1.7 工作量4</b><

11、/p><p>　　第二章 方案論證6</p><p>　　2.1 控制對象簡介6</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計6</p><p>　　2.3 砂輪平衡技術(shù)的選擇6</p><p>　　2.4 平衡頭系統(tǒng)的工作原理7</p><p>　　2.5設(shè)計方案框圖7</p>

12、<p>　　第三章 平衡頭數(shù)學(xué)模型的建立9</p><p>　　3.1 位置調(diào)節(jié)模型9</p><p>　　3.2 平衡模型及其方框圖10</p><p>　　第四章 硬件設(shè)計13</p><p>　　4.1 單片機最小系統(tǒng)13</p><p>　　4.1.1 89C51系列單片機14<

13、/p><p>　　4.1.2 89C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)15</p><p>　　4.1.3 AT89C51系列引腳功能16</p><p>　　4.1.4 AT89C51系列單片機的功能單元18</p><p>　　4.2 拓展單元8255單元19</p><p>　　4.2.1 拓展芯片825520</

14、p><p>　　4.2.2 8255功能引腳20</p><p>　　4.3 磁電式振動速度傳感器21</p><p>　　4.4 放大電路22</p><p>　　4.5 濾波器23</p><p>　　4.6 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器25</p><p>　　4.6.1 ADC080

15、9的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)25</p><p>　　4.6.2 ADC0809引腳結(jié)構(gòu)26</p><p>　　4.6.3 ADC0809應(yīng)用說明27</p><p>　　4.7光電傳感器27</p><p>　　4.8光電信號處理器28</p><p>　　4.9報警電路29</p><p>

16、;　　4.10 執(zhí)行電路29</p><p>　　4.11 電機的選擇30</p><p>　　4.12 顯示電路31</p><p>　　4.12.1 HD7279A的典型應(yīng)用32</p><p>　　4.12.2 顯示電路硬件設(shè)計33</p><p>　　第五章 PID控制算法研究35</p>

17、;<p>　　5.1 PIN控制的工作原理35</p><p>　　5.2 PID控制的特點36</p><p>　　5.3 PID控制算法37</p><p>　　5.4 PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化38</p><p>　　5.5 PID參數(shù)的整定的整定方法40</p><p>　　第六章 軟件設(shè)計

18、42</p><p>　　6.1 軟件流程圖42</p><p>　　6.2 A/D采樣數(shù)據(jù)軟件設(shè)計43</p><p>　　6.3 平衡過程流程圖44</p><p><b>　　總 結(jié)46</b></p><p><b>　　參考文獻47</b></

19、p><p><b>　　致 謝48</b></p><p>　　附錄1：程序清單49</p><p>　　附錄2：系統(tǒng)原理圖61</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 論文選題的來源及意義</p><p>

20、　　任何轉(zhuǎn)子在圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時，都可能由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生離心力。這種不平衡離心力作用在轉(zhuǎn)子軸承上會引起振動，這種振動會產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，從而影響工件的磨削質(zhì)量和嚴重影響磨床的使用壽命。本論文的主要目標(biāo)是對轉(zhuǎn)子的不平衡量進行校正，改善轉(zhuǎn)子相對于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動或作用于軸承上的振動力減小到允許的范圍之內(nèi)。轉(zhuǎn)子的平衡包括不平衡量的測量和校正。</p><p>　　砂輪的平衡對高精度

21、磨床的磨削有重要的意義。砂輪僅由人工進行安裝前的傳統(tǒng)靜平衡試驗，其初始平衡精度就比較差；再加上磨削過程中砂輪表面微孔對冷卻液的吸附，以及砂輪磨損和休整所增添的附加不平衡，所以影響磨削質(zhì)量。特別是因砂輪不平衡造成的徑向跳動在磨削零件的表面會留下較大的振痕。近年來，我國多家磨床制造廠相繼配備美國SBS系統(tǒng)于國產(chǎn)高檔磨床產(chǎn)品上。1995年夏天在FARREL磨床維修中配用了從美國許密特（Schmitt）工業(yè)公司進口的SBS動平衡裝置。</

22、p><p>　　磨床是精密機械加工必不可少的工作母機，為了適應(yīng)日趨精密的工作精度需求及不斷追求的高效率和低成本的目標(biāo)，全球的磨床制造業(yè)都在不懈地致力于:提高機床的幾何精度，剛性和性能穩(wěn)定性。 </p><p>　　下面介紹一下砂輪動平衡測控系統(tǒng)的意義：</p><p>　　眾所周知，砂輪是磨床的必要工具。想要讓砂輪磨削出準(zhǔn)確的尺寸和光潔的表面，必須防止磨削過程中的振動。

23、砂輪的結(jié)構(gòu)是由分布不均的大量顆粒組成，先天的不平衡無法避免，這必然會引起一定的偏心振動。而砂輪安裝的偏心度、砂輪的厚度不均、主軸的不平衡及砂輪對冷卻液的吸附等，會使振動更加增大。這些振動不僅僅影響到磨床的加工質(zhì)量，還會降低磨床的主軸壽命、砂輪壽命，增加砂輪修正次數(shù)及修整金剛石的消耗等。　</p><p>　　磨床砂輪在在線動平衡校正的應(yīng)用為現(xiàn)代研磨工藝不可或缺的重要工程,當(dāng)磨床內(nèi)外環(huán)境振動較好的時候,經(jīng)在在線動

24、平衡校正后的砂輪殘余振動量,會比一般傳統(tǒng)手動靜平衡效果再優(yōu)化一個數(shù)量級,以峰到峰值(Peak to Peak)的量測基準(zhǔn)來評比,當(dāng)靜平衡后為3μm時,動平衡可達0.3μm,綜合在線動平衡校正作業(yè)的優(yōu)勢,研磨加工業(yè)者可獲得以下的經(jīng)濟利益:</p><p>　　1、可大幅改善被研磨工件的真圓度、圓筒度和面粗度；</p><p>　　2、可延長被研磨工件壽命、減少研磨燒傷裂損現(xiàn)象,并控制其低頻工

25、作噪音；</p><p>　　3、提高研磨加工精密度、穩(wěn)定性和批量一致性(CP值)；</p><p>　　4、可延長傳統(tǒng)砂輪和金剛石砂輪修整裝置壽命；</p><p>　　5、可確保磨床主軸與軸承壽命,延長磨床維修間隔,降低磨床維修成本。</p><p>　　1.2 砂輪動平衡測控系統(tǒng)的目的</p><p>　　常用砂

26、輪機械中包含著大量的作旋轉(zhuǎn)運動的零部件，例如：各種轉(zhuǎn)動軸、主軸、電動機和汽輪機的轉(zhuǎn)子等，統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體。在理想的情況下回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時與不旋轉(zhuǎn)時，對軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體。但工程中的各種回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時，其上每個微小質(zhì)點產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到砂輪的機械及其基礎(chǔ)上，引起振動，產(chǎn)生了噪

27、音，加速軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時能造成破壞性事故。為此，必須對轉(zhuǎn)子進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級，或使因此產(chǎn)生的砂輪機械振動幅度降在允許的范圍內(nèi)。</p><p>　　1.3 傳統(tǒng)靜平衡存在的問題</p><p>　　1、砂輪的殘余靜不平衡</p><p>　　人工做靜平衡時，由于磨床砂輪直徑較大、自重較大，導(dǎo)致靜慣性較大，所以當(dāng)靜平衡做到一定程度就無

28、法繼續(xù)下去，此時砂輪仍然保留一定的殘余靜不平衡，結(jié)果造成靜平衡精度較差。</p><p><b>　　2、砂輪的偶不平衡</b></p><p>　　砂輪制造中除了靜不平衡外，還存在著偶不平衡。偶不平衡雖然不太大，但對于高精度加工的磨床來講，也是不可忽略的。而且這種偶不平衡不可能用靜平衡的方法消除。</p><p>　　3、砂輪表面微孔對冷卻液

29、吸附的不平衡</p><p>　　在磨削過程中，由于砂輪表面微粒及微孔對冷卻液吸附的不均勻性就會造成砂輪的附加不平衡。這種附加的不平衡也不能用靜平衡方法消除。</p><p>　　4、砂輪磨損和修正中的附加不平衡</p><p>　　由于砂輪是非均勻的顆粒粘合體，其表層微粒的磨損以及不定時的表面修正都會造成砂輪新的不平衡，這些附加不平衡也不可能用靜平衡法消除。<

30、;/p><p>　　總之，想要讓砂輪磨削出準(zhǔn)確的尺寸和光潔的表面，必須防止磨削過程中的振動。但引起振動的主要原因又恰恰是砂輪本身。先天的不平衡無法避免，再加上后天的不平衡，使磨床砂輪的旋轉(zhuǎn)始終處于不平衡的狀態(tài)之中。</p><p>　　1.4 本系統(tǒng)在線平衡的特點</p><p><b>　　1、本系統(tǒng)的組成</b></p><

31、p>　　本系統(tǒng)由振動傳感器、控制微機和平衡頭組成。振動傳感器測得信號輸入控制微機后，微機發(fā)出信號從而控制平衡頭達到在線平衡的設(shè)定目標(biāo)。</p><p>　　2、本系統(tǒng)的拾振原理</p><p>　　振動傳感器把收集到的磨床的各種振動信號輸入微機，由微機內(nèi)的窄波濾波器按主軸轉(zhuǎn)速濾波，分辨出由砂輪不平衡引起的即刻振動值（徑向振動位移值）。為了使振動傳感器監(jiān)測到直接影響磨削質(zhì)量的砂輪的徑向

32、振動。帶磁性的傳感器的圓柱面最好垂直于砂輪與工件的接觸面。</p><p>　　3、本系統(tǒng)的平衡原理</p><p>　　平衡頭裝在磨床的主軸端部，它隨主軸轉(zhuǎn)動，平衡頭內(nèi)有2個質(zhì)量補償重塊，分別由2個永磁直流電機通過蝸輪蝸桿及精密齒輪系驅(qū)動。其平衡程序由微機按拾振信號驅(qū)動2個永磁直流電機同時正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使2個平衡塊的角平分線與不平衡質(zhì)量的半徑成 ，滿足2個補償平衡塊夾角的方向與砂輪的不平衡

33、質(zhì)量處于相反方向；第二步2個永磁直流電機一個正轉(zhuǎn)另一個反轉(zhuǎn)或一個反轉(zhuǎn)另一個正轉(zhuǎn)，來調(diào)整2個平衡塊與砂輪中心點連線的夾角大小，滿足補償平衡塊的質(zhì)量與砂輪不平衡質(zhì)量相等。2個永磁直流電機的各自旋轉(zhuǎn)方向及其角度可由微機按拾振信號控制，也可由人工手動控制，直至達到設(shè)定的振動目標(biāo)值之內(nèi)為止。</p><p>　　一般工廠為了消除頻繁出現(xiàn)的磨削振痕，操作工人采取變換砂輪轉(zhuǎn)速及減小磨削進給等辦法做多次往復(fù)磨削，這樣不但費時，而

34、且效果也不太理想。</p><p><b>　　4、避免外界振動</b></p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計旨在糾正砂輪的動態(tài)不平衡，提高加工件的表面磨削質(zhì)量和磨削精度，故只按磨床主軸轉(zhuǎn)速頻率范圍來過濾磨床的振動信號，對此頻率以外的附加振動都忽略不計，如當(dāng)臨近機械以相同的頻率工作或產(chǎn)生相近頻率范圍的附加振動信號。因此如有外界振動存在，磨床應(yīng)裝有避振器或隔離措施。才能確保

35、本系統(tǒng)的正常工作。</p><p><b>　　5、正確安放傳感器</b></p><p>　　振動傳感器的安放位置與方向十分重要，初裝時可以用其磁性底座，等找到較合適的方位后也可作永久固定方式?；驹瓌t是傳感器的接觸平面要平行于砂輪與工件的接觸切面，這樣才能最直接檢測到影響磨削的振動。</p><p>　　1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p&

36、gt;<p>　　我國平衡機的研制和開發(fā)是從50年代末開始的，經(jīng)過30年的努力，國內(nèi)平衡機的技術(shù)水平有較大提高。到目前為止國內(nèi)相關(guān)濾波技術(shù)，跟蹤濾波技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)，計算機技術(shù)等都已廣泛應(yīng)用于動平衡的測量和控制系統(tǒng)中，在算法上，出現(xiàn)了對檢測信號的DSP處理的FIR算法，基于小波分析算法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和遺傳算法，把影響系數(shù)與傳遞函數(shù)結(jié)合等新模型算法以及矢量算法，轉(zhuǎn)子混沌行為研究等。在動平衡理論方面，西安交通大學(xué)的屈

37、梁生院士的全息動平衡技術(shù)將全息譜技術(shù)應(yīng)用于動平衡系統(tǒng)，從而有效的融合了轉(zhuǎn)子多向振動信息，提高了平衡精度，并且已應(yīng)用到非對稱轉(zhuǎn)子的平衡，有些學(xué)者已提出了多種快速平衡技術(shù)即所謂的“無試加重”平衡方法，用測量的振動特性來模擬系統(tǒng)，從而確定系統(tǒng)的不平衡量。相較于國外，平衡機理論已日趨成熟，其制造技術(shù)達到較高水平，如德國的申克公司的通用，專用平衡機已經(jīng)形成系列化生產(chǎn)。在工業(yè)化國家廣泛應(yīng)用，但價格昂貴，并且國外的大多數(shù)平衡機產(chǎn)品并不適應(yīng)于我國國情。

38、我國國產(chǎn)平衡機技術(shù)水平和質(zhì)量狀況已基本滿足國內(nèi)市場需求。隨著近幾年磨床自動化，NC.CNC控制裝置的發(fā)展，提高機床運轉(zhuǎn)率，縮短輔助時間，實現(xiàn)無人生產(chǎn)等要</p><p>　　1.6 題目研究內(nèi)容</p><p>　　1、研究砂輪偏心的平衡方法及設(shè)計平衡裝置；</p><p>　　2、研究砂輪不平衡信號的提取方法；</p><p>　　3、研究

39、建立砂輪動平衡測控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法及其模型建立；</p><p><b>　　4、控制算法研究</b></p><p>　　5、測控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件實現(xiàn)設(shè)計</p><p><b>　　1.7 工作量</b></p><p>　　1、了解磨床砂輪磨削工作原理及平衡原理；</p>

40、<p><b>　　2、硬件電路設(shè)計：</b></p><p>　?。?）最小系統(tǒng)的設(shè)計；</p><p>　?。?）檢測處理電路設(shè)計；</p><p>　　（3）執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路設(shè)計；</p><p>　　（4）人機對話系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　3、軟件設(shè)計&

41、lt;/b></p><p>　?。?）軟件流程圖設(shè)計；</p><p>　?。?）控制算法及程序設(shè)計。</p><p><b>　　4、書寫畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　5、專業(yè)譯文</b></p><p><b>　　6、硬件電路圖設(shè)計&l

42、t;/b></p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本小結(jié)說明論文的選題來源及意義，介紹砂輪在線動平衡測控系統(tǒng)的目的和國內(nèi)外現(xiàn)狀。大致掌握動平衡的特點。由此我們制定了接下來的論文的研究題目內(nèi)容及其工作量。</p><p><b>　　第二章 方案論證</b></p><p

43、>　　2.1 控制對象簡介</p><p>　　平衡頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由執(zhí)行機構(gòu)、傳動系統(tǒng)和平衡塊組成。采用蝸輪蝸桿及精密齒輪作為傳動系統(tǒng),各級變比如圖2-1左所示。設(shè)計減速器的目的體現(xiàn)在幾方面: 1、傳遞運動,將平行于砂輪的電動機軸運動轉(zhuǎn)換為圍繞轉(zhuǎn)子的周向旋轉(zhuǎn)運動。</p><p>　　2、提高驅(qū)動力矩,細化步進角。</p><p>　　3、利用蝸輪蝸桿的鎖定功能,

44、在平衡后使偏心齒圈鎖定。</p><p>　　平衡塊的設(shè)計采用在齒輪的一側(cè)加工了7 個成軸對稱的小孔,這樣齒輪就有了最大的質(zhì)量偏心,依靠兩個偏心齒輪來平衡砂輪。平衡頭是由兩個相同的傳動機構(gòu)組成,結(jié)構(gòu)如圖2-1右所示:</p><p>　　圖2-1 平衡頭的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計</p><p>　　根據(jù)平衡質(zhì)量塊在平

45、衡頭上移動的軌跡,平衡頭力補償?shù)姆绞娇煞譃槿N:</p><p>　　(1) 單配重極坐標(biāo)方式。改變配重質(zhì)量m 的偏心半徑和相角來調(diào)解。</p><p>　　(2) 雙配重直角坐標(biāo)方式。平衡質(zhì)量塊相對平衡頭只做徑向移動,每個平衡</p><p>　　質(zhì)量塊相對平衡頭只改變大小,不改變方向。</p><p>　　(3) 雙配重固定半徑極坐標(biāo)方式

46、。平衡質(zhì)量塊相對平衡頭只做周向移動,各個平衡質(zhì)量塊只改變方向,不改變大小。</p><p>　　2.3 砂輪平衡技術(shù)的選擇</p><p>　　方式(1) 固然需要一個平衡塊就夠了,但是運動規(guī)律比較復(fù)雜,需要一些運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)才能實現(xiàn),必然會占用較大的空間,使整個平衡頭尺寸增大。</p><p>　　方式(2) 雖然可以依靠蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動實現(xiàn)向心調(diào)節(jié),但是平衡塊相對運動

47、的過程中必須克服巨大的離心力,這會導(dǎo)致在驅(qū)動平衡塊移動位置時,消耗很大的功率,需要選用較大功率的電機,增大供電及驅(qū)動電路設(shè)計的復(fù)雜性。</p><p>　　方式(3) 克服了以上的缺陷,平衡塊可在0°～360°范圍內(nèi)自由移動,而且運動過程中,電機驅(qū)動力直接切向作用于平衡塊,由于它們一般置于殼體軌道中,因此只需克服離心力引起的摩擦力作用,就可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)加速度。故本系統(tǒng)采用的是雙配重固定半徑極坐標(biāo)

48、方式。</p><p>　　2.4 平衡頭系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　工作原理如下:平衡頭裝在磨床的主軸端部,它隨主軸轉(zhuǎn)動,平衡頭內(nèi)有2 個質(zhì)量補償重塊,分別由2 個永磁直流電機通過蝸輪蝸桿及精密齒輪系驅(qū)動。其平衡程序由微機按拾振信號驅(qū)動2 個永磁直流電機同時正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),使2 個平衡塊產(chǎn)生離心力的合力方向與不平衡量產(chǎn)生的離心力合力方向相反,在一條直線上;第二步2 個永磁直流電機一個

49、正轉(zhuǎn)另一個反轉(zhuǎn)或一個反轉(zhuǎn)另一個正轉(zhuǎn),來調(diào)整2 個平衡塊與砂輪中心點連線的夾角大小,滿足補償平衡塊的質(zhì)量與砂輪不平衡質(zhì)量相等。即所謂的相位控制與幅值控制。2 個偏心齒圈的各自旋轉(zhuǎn)方向及其角度可由微機按拾振信號及控制算法實施控制,也可由人工手動控制,直至達到設(shè)定的振動目標(biāo)值之內(nèi)為止。</p><p><b>　　2.5設(shè)計方案框圖</b></p><p>　　圖2-2設(shè)計

50、方案框圖</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　通過了解平衡頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，制定了三種系統(tǒng)方案。我們從中挑選出雙配重固定半徑極坐標(biāo)方式作為研究方案，平衡質(zhì)量塊相對平衡頭只做周向移動,各個平衡質(zhì)量塊只改變方向,不改變大小。由平衡頭的工作原理設(shè)計出系統(tǒng)方案框圖。</p><p>　　第三章 平衡頭數(shù)學(xué)模型的建立</p

51、><p>　　3.1 位置調(diào)節(jié)模型</p><p>　　為了分析和設(shè)計一個控制系統(tǒng),必需先建立對象的數(shù)學(xué)模型,針對上述的平衡頭結(jié)構(gòu)圖及機械傳動圖,可以通過電機電勢平衡方程式和拖動系統(tǒng)動力學(xué)平衡方程式建立其位置控制系統(tǒng)模型,進而依據(jù)平衡機理,分析建立起平衡模型,最后獲得平衡頭的數(shù)學(xué)模型及其方框圖。</p><p>　　圖3-1平衡頭的數(shù)學(xué)模型方框圖</p>

52、<p><b>　　由電勢平衡方程：</b></p><p><b>　　（3-1）</b></p><p><b>　　整理得：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　式中：</b&

53、gt;</p><p>　　--- 加在電機兩端的電壓(V)</p><p>　　--- 電樞回路電流(A)</p><p>　　--- 電動機內(nèi)阻()</p><p>　　--- 電樞繞組的反電動勢(V)</p><p>　　n --- 電樞轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p>　　， ---

54、 分別為反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)</p><p>　　--- 電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)</p><p>　　--- 每級磁通量（Wb）</p><p>　　L --- 電樞電感（H）</p><p>　　根據(jù)拖動系統(tǒng)動力學(xué)平衡方程式有：</p><p><b>　　(3-3)</b></p>

55、;<p>　　是粘性摩擦系數(shù)（有實驗得），是電機轉(zhuǎn)角，是依據(jù)折算前后動能不變的原則，將傳動機構(gòu)，偏心齒圈的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸后總的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p><b>　　整理得出：</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　拉氏變換得：</b>

56、</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　忽略電樞電感的影響，則近似為二階系統(tǒng)：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　3.2 平衡模型及其方框圖</p><p><b>　　平衡模型矢量圖：</b&g

57、t;</p><p>　　圖3-2 平衡模型矢量圖</p><p>　　圖3-2中和分別為兩個偏心齒圈的平衡力，并假定，角度分別為和，和為不平衡量，和為合成的平衡力。其中</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p>　　設(shè)計控制系統(tǒng)的目的是利用最短的時間使 </p><p>

58、;　　假定與分別為兩個偏心齒圈驅(qū)動系統(tǒng)的控制電壓，則可得到平衡模型的方框圖如圖3-3：</p><p>　　圖3-3 平衡模型方框圖</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　為了分析和設(shè)計控制系統(tǒng),我們需針對平衡頭結(jié)構(gòu)特點建立數(shù)學(xué)模型,可以通過電機電勢平衡方程式和拖動系統(tǒng)動力學(xué)平衡方程式建立其位置控制系統(tǒng)模型,進而依據(jù)

59、平衡機理依據(jù)平衡機理,分析建立起平衡模型并繪制方框圖。</p><p><b>　　第四章 硬件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　在整個設(shè)計中，單片機的應(yīng)用是設(shè)計核心的關(guān)鍵。通過ADC芯片把磁電傳感器采集的數(shù)值信號進入單片機內(nèi)部進行處理。此外單片機的內(nèi)部設(shè)定一個數(shù)值作為信號頻率的標(biāo)準(zhǔn)，。如果超標(biāo)則由報

60、警電路工作發(fā)出報警信號，同時開始調(diào)節(jié)電機。電路主要包括復(fù)位電路和振蕩電路組成。電路圖如圖4-1</p><p>　　圖4-1 AT89C51電路圖</p><p>　　1970年微型計算機研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機（即單片微型計算機）— 美國Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機8008。</p><p>　　圖 4-

61、2 擴展芯片8255電路圖</p><p>　　4.1.1 89C51系列單片機</p><p>　　單片機（Microcontroller，又稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。AT89系列單片機是以8031為內(nèi)核，結(jié)合ATMEL公司自己的技術(shù)優(yōu)勢構(gòu)成的，它和MCS-51是

62、 兼容系列。AT89系列單片機有標(biāo)準(zhǔn)型的AT89C系 列和高檔型的AT89S系列。</p><p>　　AT89C51是MCS-51系列單片機的一個產(chǎn)品。89C51系 列單片機是ATMEL公司推出的標(biāo)準(zhǔn)型單片機，其結(jié)構(gòu)特點如下：</p><p>　?。?）8位8031CPU；</p><p><b>　?。?）振蕩電路；</b></p&g

63、t;<p>　?。?）32根I/O線；</p><p>　?。?）片內(nèi)Flash存儲器、片內(nèi)RAM；</p><p>　　（5）2個16位 的定時器/計數(shù)器；</p><p>　?。?）5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級；</p><p>　?。?）全雙工串行接口。</p><p>　　4.1.2 89C51單片

64、機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　89C51系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以劃分為CPU、存儲器、并行口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷 邏輯幾部分。</p><p><b>　　1、中央處理器</b></p><p>　　89C51的中央處理器由運算器和控制邏輯機構(gòu)構(gòu)成，其中包括若干特殊功能存儲器（SFR）</p><p>　　算術(shù)邏

65、輯 單元ALU能對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術(shù)運算；“與”、“或”、“異或”等邏輯運算以及位操作 運算。ALU只能進行運算，運算的操作數(shù)可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，運算結(jié)果可以送回ACC或通用寄存器或存儲單元中，累加器ACC也可以寫 為A。B寄存器在乘法指令中用來存放一個乘 數(shù)，在除法指令中用來存放除數(shù)，運算后B中為部分運算結(jié)果。</p><p>　　控制邏輯主要包括定時和控制邏輯、指令寄存器 、

66、譯碼器以及地址指針DPTR和程序寄存器PC等。</p><p>　　單片機是程序控制式計算機，即它的運行過程是在程序控制下逐條執(zhí) 行程序指令的過程：從程序存儲器中取出指令送指令存儲器IR，然后指令譯碼器ID進行譯碼，譯碼產(chǎn)生一系列符合定時要求的微操作信號，用以控制單片機的各部分動作。89C51的控制器在單片機內(nèi)部協(xié)調(diào)各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運算等操作，并對單片機發(fā)出若干控制信息。 這些控制信息的使用專門的控

67、制線，諸如PSEN、ALE、EA以及RST，也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P3.6和P3.7，他們的具體功能在介紹89C51引腳時一起敘 述。</p><p><b>　　2、存儲器組織</b></p><p>　　89C51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)特點之一是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開， 并有各自的尋址機構(gòu)和尋址方式，這種結(jié)構(gòu)稱為哈佛結(jié)構(gòu)單片機。這種結(jié)

68、構(gòu)與通用微機的存儲器結(jié)構(gòu)不同，一般微機只有一個存儲器邏輯空間，可隨意安排ROM或RAM，訪存時用同一種指令，這種結(jié)構(gòu)稱為普 林斯頓型。</p><p>　　89C51單片機在物理上有四個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲 器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。</p><p>　　89C51片內(nèi)有256K數(shù) 據(jù)存儲器RAM和4KB的程序存儲器ROM。除此之外，還可以在片外擴展RAM和RO

69、M，并且各有64KB的尋址范圍。也就是最多可以 在外部擴展2*64KB存儲器。</p><p>　　64K字節(jié)的程序存儲器（ROM） 空間中，有4K字節(jié)地址區(qū)對于片內(nèi)ROM和 片外ROM是公用的，這4K字節(jié)地址是0000H～FFFH。而1000H～FFFFH地址區(qū)為外部ROM專用。CPU的控制器專門提供一個控制信號EA用來區(qū)分內(nèi)部ROM和外部ROM的公用地址區(qū)：當(dāng)EA接高電平時，單片機從片內(nèi)ROM的4K字節(jié)存儲器

70、區(qū)取指令，而當(dāng)指令地址超過0FFFH后，就自動的轉(zhuǎn)向片外ROM取指令。當(dāng)EA接低電平時，CPU只從片外ROM取指令。</p><p>　　89C51的RAM雖然字節(jié)數(shù)不很多，但卻起著十分重要的作用。256個 字節(jié)被分為兩個區(qū)域：00H～7FH時真正 的RAM區(qū)，可以讀寫各種數(shù)據(jù)。而80H～FFH是專門用于特殊功能寄存器（SFR）的區(qū)域。對 于89C51安排了21個特殊功能寄存器， 每個寄存器為8位，所以實際上12

71、8個字節(jié) 并沒有全部利用。</p><p>　　內(nèi)部RAM的各個單元，都可以通過直接地址來尋找，對于工作寄存器，則一般都直接用R0～R7，對特殊功能寄存器，也是直接使用其名字較為 方便89C51內(nèi)部特殊功能寄存器符號及地址。89C51內(nèi) 部特殊功能寄存器都是可以位尋址的，并可用“寄存器名.位”來表示，如ACC.0，B.7等。</p><p>　　這些寄存器分別用于以下各個功能單元：<

72、/p><p>　　CPU：ACC，B，PSW，SP，DPTR（由兩個8位寄存器DPL和DPH組成）；</p><p>　　并行口：P0，P1，P2，P3；</p><p>　　中斷系統(tǒng)：IE，IP；</p><p>　　串行口：SCON，SBUF，PCON。</p><p>　　定時器/計 數(shù)器：TMOD，TCON，T0，

73、T1（分別由兩個8位寄存器TL0和THO，TL1和TH1組 成）</p><p>　　4.1.3 AT89C51系列引腳功能</p><p>　　AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，圖4-3為其邏輯引腳圖。</p><p>　　圖4-3 AT89C51邏輯引腳圖</p><p>　　各引腳功能敘述如

74、下：</p><p><b>　　1、電源和晶振：</b></p><p>　　VCC——運行和程序校驗時加+5V。</p><p><b>　　GND——接地。</b></p><p>　　XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器。</p><p>　　XTAL2——反向放大

75、器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。</p><p>　　當(dāng)使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號。</p><p>　　2、I/O：4個口，32根。</p><p>　　P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（這時，需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時）能驅(qū)

76、動8個LSTTL負載。</p><p>　　P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動4個LSTTL負載。對于80C51，P1.0——T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入；P1.1——T2EX，是定時器的外部輸入端。這時，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。</p><p>　　P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM及RAM）時

77、，輸出高8位地址。在編程/校驗期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動4個LSTTL負載。</p><p>　　P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個LSTTL負載。</p><p><b>　　3、串行口：</b></p><p>　　P3.

78、0——RXD（串行輸入口），輸入。</p><p>　　P3.1——TXD（串行輸出口），輸出。</p><p><b>　　4、中斷：</b></p><p>　　P3.2——INT0外部中斷0，輸入。</p><p>　　P3.3——INT1外部中斷1，輸入。</p><p>　　5、定時器/

79、計數(shù)器：</p><p>　　P3.4——T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入。</p><p>　　P3.5——T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，輸入。</p><p>　　6、數(shù)據(jù)存儲器選通：</p><p>　　P3.6——WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。</p><p>　　P3.7——RD低電平有效，輸

80、出，片外存儲器讀選通。</p><p>　　7、控制線：共4根。</p><p><b>　　輸入：</b></p><p>　　RST——復(fù)位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復(fù)位。</p><p>　　EA/Vpp——片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，

81、其上施加21V的編程電壓。</p><p><b>　　輸入、輸出：</b></p><p>　　ALE/PROG——地址鎖存允許信號，輸出。用做片外存儲器訪問時，低字節(jié)地址鎖存。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程期間，作輸入。輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動8個LSTTL負載。</p><

82、;p><b>　　輸出：</b></p><p>　　PSEN——片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機器周期中，當(dāng)PSEN有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動8個LSTTL負載。</p><p>　　4.1.4 AT89C51系列單片機的功能單元</p><p>　　1、并

83、行I/O接口：</p><p>　　單片機芯片內(nèi)有一項主要功能就是并行I/O口。51系列共有4個8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3每個口都包含一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實際上，他們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。</p><p>　　在訪問片外擴展存儲器時，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時傳送，高八位地址由P2口傳送。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)

84、中，這4個口的每一位均可作為雙向的I/O端口使用。</p><p>　　51系列單片機的4個I/O口都是8位雙向口，這些口在結(jié)構(gòu)和特性上是基本相同的，但又各具特點。</p><p><b>　　2、定時器/計數(shù)器</b></p><p>　　定時器/計數(shù)器（timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕

85、CPU的負擔(dān)和簡化外圍電路都大有好處。</p><p>　　C51系列包含有兩個16位的定時器/計數(shù)器：定時器/計數(shù)器T0和定時器/計數(shù)器T1；在C51部分產(chǎn)品中，還包含有一個用做看門狗的8位定時器。</p><p>　　定時器/計數(shù)器的核心是一個加1計數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加1功能。在單片機的T0、T1一個0到1的跳變，計數(shù)器增1，即為計數(shù)功能；在單片機內(nèi)部對機器周期或其分頻進行計

86、數(shù)，從而得到定時，這就是定時功能。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進行的。</p><p>　　定時器/計數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)：由 定時器0、定時器1、定時器方式寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON組成。</p><p>　　定時器/計數(shù)器的工作原理：當(dāng)定時器/計數(shù)器設(shè)置為定時工作方式時，計數(shù)器對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加1，直至計滿溢出。定時器的定時

87、時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因為C51系列單片機的一個機器周期由12個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率fc=fosc/12。如果單片機系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計數(shù)周期為：T=1/[12*1*(/12)]=1 （4-1）</p><p>　　這是最短的定時周期，適當(dāng)選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。</p><p>　　當(dāng)定時器/計數(shù)器設(shè)置為計數(shù)工作方

88、式時，計數(shù)器對來自輸入引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。在每個機器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器周期采樣值為1，后一個機器周期采樣值為0，則計數(shù)器加1。新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生1到0的負跳變后，于下一個機器周期的S3P1期間裝入計數(shù)器中的，可見，檢測一個由1到0的負跳變需要兩個機器周期，所以，最高檢測頻率為振蕩頻率的1/24。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有特

89、別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。當(dāng)設(shè)置了定時器的工作方式并啟動定時器工作后，定時器就按被設(shè)定的工作方式獨立工作，不再占用CPU的操作時間，只有在計數(shù)器計滿溢出時才可能中斷CPU當(dāng)前的操作。</p><p><b>　　3、 中斷系統(tǒng)</b></p><p>　　中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分。實時控制、故障自動處理、單片機與外

90、圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。中斷過程時在硬件基礎(chǔ)上再配以相應(yīng)的軟件而實現(xiàn)的，不同的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)和軟件指令是不完全相同的，因此，中斷系統(tǒng)也是不相同的。</p><p>　　C51系統(tǒng)有關(guān)中斷的寄存器有4個，分別為中斷源寄存器TCON和SCON、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級控制寄存器IP；中斷源有5個，分別為外部中斷0請求INT0、外部中斷1請求INT1、定時器0溢出

91、中斷請求TF0、定時器1溢出中斷請求TF1和串行中斷請求R1或T1。5個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個中斷源分別對應(yīng)5個固定的中斷入口地址。</p><p>　　中斷的特點：①分時操作；②實時處理；③故障處理。</p><p>　　4.2 擴展單元8255單元</p><p>　　4.2.1 擴展芯片8255</p&

92、gt;<p>　　8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O</p><p>　　口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255可作為單片機與多種外設(shè)連接時的中間接口電路。 </p><p>　　8255作為主機與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、

93、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。</p><p><b>　　特性如下：</b></p><p>　?。?）一個并行輸入/輸出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPU總線與外圍的接口. </p>

94、<p>　　（2）具有24個可編程設(shè)置的I/O口,即使3組8位的I/O口為PA口,PB口和PC口.它 們又可分為兩組12位的I/O口,A組包括A口及C口(高4位,PC4~PC7),B組包括B口及C口(低4位,PC0-PC3).A組可設(shè)置為基本的I /O口,閃控(STROBE)的I/O閃控式,雙向I/O3種模式;B組只能設(shè)置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式,而這些操作模式完全由控制寄存器的 控制字決定.</p>

95、<p>　　4.2.2 8255功能引腳</p><p>　　RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。 </p><p>　　CS:芯片選擇信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/CS=0時,表示芯片被選中，允許 8255與CPU進行通訊;/CS=1時,8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸. </p&

96、gt;<p>　　RD:讀信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/RD=0且/CS=0時,允許8255通過數(shù) 據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。 </p><p>　　WR:寫入信號，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/WR=0且/CS=0時,允許CPU將數(shù)據(jù)或 控制字寫入8255。 </p><p>　　D0～D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CP

97、U數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。 </p><p>　　PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 </p><p>　　PB0～PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器， 一個8位的輸入輸出緩沖器。 </p><p>　

98、　PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個4位的端口， 每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。' </p><p>　　A0,A1:地址選擇線,用來選擇8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器. </p><p>　　當(dāng)A

99、0=0,A1=0時,PA口被選擇; </p><p>　　當(dāng)A0=0,A1=1時,PB口被選擇; </p><p>　　當(dāng)A0=1,A1=0時,PC口被選擇; </p><p>　　當(dāng)A0=1.A1=1時,控制寄存器被選擇.</p><p>　　4.3 磁電式振動速度傳感器</p><p>　　在振動測試系統(tǒng)中，通過對

100、一些周期性振動測量進行分析，為了得出更可靠，重復(fù)性高的測量結(jié)果，本次設(shè)計選用的的傳感器為ZCC-200系列磁電式振動速度傳感器，是將振動物體的機械能轉(zhuǎn)換為電量的換能裝置。</p><p>　　它的優(yōu)點是可以進行相對于自由空間的絕對振動的測量。對機械或結(jié)構(gòu)的 振動工況進行評價；可廣泛用于電力、石油、化工、冶金、建材、航空、機械制造等領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機械與設(shè)備軸承座、機體的振動測量和長期監(jiān)視；</p><

101、;p>　　由于這種傳感器防水、防塵、可靠性高，適合鐵道、礦山、水利、建筑等野外作業(yè)行業(yè)進行爆破和工程抗震監(jiān)測。</p><p>　　ZCC-200系列傳感器為一彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，傳感器中固定有磁鋼，慣性質(zhì)量（線圈組件）用彈性元件懸掛在殼體內(nèi)部， 當(dāng)物體振動時，在傳感器工作頻率范圍內(nèi)，由于慣性，線圈與磁鋼相對運動，切割磁力線，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓值正比于振動速度值，傳感器輸出信號與 烈度監(jiān)測儀、振動監(jiān)測儀

102、相配接，即可顯示振動或位移，也可輸送到信號采集器或其他二次儀表，進行數(shù)據(jù)采集和測量。</p><p>　　表4-1 ZCC-200系列技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　磁電式振動速度傳感器的工作原理是以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的，即當(dāng)線圈在磁場中運動時，線圈兩端感應(yīng)的電勢正比于穿過線圈的磁通變化量，其方向與磁通變化相反。</p><p><b>　　即：<

103、;/b></p><p><b>　　（4-2）</b></p><p>　　式中： </p><p><b>　　N為線圈匝數(shù)</b></p><p>　　為穿過每匝線圈的磁通量</p><p>　　根據(jù)磁場中線圈的運動方式不同，其感應(yīng)電動勢也有

104、所不同。永磁鐵產(chǎn)生一個恒定的磁場，當(dāng)置于磁場中的線圈做直線運動，這時，線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　式中： </b></p><p><b>　　B為磁場的感應(yīng)強度</b></p><p>　　L

105、為單匝線圈的有效長度</p><p>　　V為線圈于磁場的相對運動速度</p><p>　　為線圈運動方向與磁場方向的夾角</p><p>　　當(dāng)線圈運動方向與磁場方向垂直時，則 </p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　在特殊情況下，當(dāng)時，可以得到：</p&g

106、t;<p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　4.4 放大電路</b></p><p>　　為了更好的提取振動信號，設(shè)置了壓控電壓二階帶通濾波器和信號放大電路。首先介紹放大電路的功能，它是利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管電壓控制作用，把微弱的電信號不失真的放大到所需數(shù)值，實現(xiàn)將直流電源的能量部分地轉(zhuǎn)化為按

107、輸入信號規(guī)律變化且有較大能量的輸出信號。放大電路的實質(zhì)，是一種用較小的能量去控制較大能量轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換裝置。</p><p>　　圖4-4 OP07芯片</p><p>　　OP07芯片引腳功能說明：</p><p>　　1和8為偏置平衡（調(diào)零端），2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，</p><p>　　5空腳，6為輸出，7接電源<

108、;/p><p>　　OP07是一種高精度單片運算放大器，具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移。R1、R3、C2構(gòu)成交流負反饋電路，C1是高頻補償電容。C2值決定了通道的低頻截止頻率。C1的值決定了高頻截止頻率，OP07的優(yōu)良特性使它特別適合作前級放大器，放大微弱信號。使用OP07一般不用考慮調(diào)零和頻率問題就能滿足要求。主要特點： 低輸入失調(diào)電壓：75uV(最大) 低失調(diào)電壓溫漂：1.3u

109、V/℃(最大) 低失調(diào)電壓時漂：1.5uV/月(最大) 低噪聲：0.6uV P-P(最大)  寬輸入電壓范圍：±14V</p><p>　　圖4-5 OP07電路圖</p><p><b>　　4.5 濾波器</b></p><p>　　它是一種只傳輸指定頻段信號，抑制其它

110、頻段信號的電路。一般由集成運放與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時，由于集成運放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，我們采用的有源帶通濾波器還兼有放大與緩沖作用?？梢酝怀鲇杏妙l率的信號，衰減無用頻率的信號，抑制干擾和噪聲，以達到提高信噪比或選頻的目的，因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測量及控 制技術(shù)中的小信號處理。</p><p>　　圖4-6 壓控電壓源二階帶通濾波器</p>&l

111、t;p>　　工作原理：這種濾波器的作用是只允許在某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。典型的帶通濾波器可以 從二階低通濾波器中將其中一級改成高通而成。</p><p><b>　　電路性能參數(shù)： </b></p><p>　　為同相比例運算放大電路的輸入，比例系數(shù)為</p><p>&l

112、t;b>　　（4-6）</b></p><p>　　當(dāng) 時，電路的傳遞函數(shù)</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　令中心頻率電壓放大倍數(shù)</p><p><b>　　（4-8）</b></p><p>　　令上式分母的模

113、為，則分母虛部絕對值為1，即</p><p><b>　　（4-9）</b></p><p>　　當(dāng)= 時，得出通帶放大倍數(shù)</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　解方程，取正根，就可得到下限截止頻率和上限截止頻率分別為</p><p><

114、;b>　　因此，通頻帶</b></p><p><b>　　（4-11）</b></p><p>　　電路的頻率特性如圖4-7圖示。Q值越大，通帶放大倍數(shù)數(shù)值越大，頻帶越窄，選頻特性越好。調(diào)整電路的能夠改變頻帶寬度。</p><p>　　圖4-7 電路的頻率特性</p><p>　　此電路的優(yōu)點是改變R

115、f和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。</p><p>　　4.6 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。 </p><p>　　4.6.1 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) </p><p>

116、;　　ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。</p><p>　　4.6.2 ADC0809引腳結(jié)構(gòu) </p><p>　　圖4-8 ADC0809引腳